張國(guó)青,高秀秀,劉漢臣

(西安工程大學(xué) 理學(xué)院, 陜西 西安 710048)

0 引 言

便攜式射線探測(cè)儀在核物理、高能物理、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用,傳統(tǒng)的射線探測(cè)儀所用探頭多為氣體探測(cè)器[1-3]．這類探測(cè)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),然而由于該類探測(cè)器需要高工作電壓和玻璃腔體,在遭遇碰撞或震動(dòng)時(shí)容易發(fā)生碎裂,長(zhǎng)時(shí)間使用后,其真空度會(huì)下降,從而影響了探測(cè)器性能．文獻(xiàn)[4]報(bào)道的便攜式射線探測(cè)儀所用的探頭為玻璃腔體,并充有稀有氣體的蓋革計(jì)數(shù)器,需要上千伏的工作電壓,增加了電路的復(fù)雜程度,不易于體積微型化．因此,實(shí)際應(yīng)用中希望發(fā)展和使用性能更好,更加結(jié)實(shí)耐用的探測(cè)器作為便攜式射線探測(cè)儀的探頭．雖然有文獻(xiàn)報(bào)道了采用離子注入技術(shù)研制的便攜式半導(dǎo)體核輻射儀[5],但這類探測(cè)器內(nèi)部沒有增益,使其檢測(cè)靈敏度受到一定限制．近年來得到迅速發(fā)展的SiPM[6-9],由于具有結(jié)實(shí)耐用,體積小巧,光子數(shù)分辨能力強(qiáng),對(duì)磁場(chǎng)不敏感等優(yōu)點(diǎn)[10-12],在核探測(cè)、核醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域逐漸得到了較為廣泛的應(yīng)用[13-18]．文中研制了一種便攜式的SiPM模塊, 并將該模塊應(yīng)用于便攜式射線探測(cè)儀中,對(duì)其主要參數(shù)性能進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)配合閃爍體,替代了商品化便攜式射線探測(cè)儀的探頭,對(duì)利用所研制的便攜式SiPM模塊進(jìn)行射線探測(cè)的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究．

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器

所用的SiPM型號(hào)為S12571-025C,日本濱松公司生產(chǎn)．射頻信號(hào)放大電路使用R25型射頻晶體管進(jìn)行兩級(jí)放大．高壓電路使用XTHV-201P型高壓模塊,成都新核泰科公司生產(chǎn)．測(cè)試SiPM模塊輸出信號(hào)的特性使用了高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器,型號(hào)DPO4102B-L,美國(guó)泰克公司生產(chǎn)．所用射線探測(cè)儀為便攜式乙丙種射線探測(cè)儀,型號(hào)為67型,北京核儀器廠生產(chǎn)．所用外置射頻低噪聲放大器電壓增益為40dB(推薦工作電壓下), 2 GHz帶寬,型號(hào)為HSA-Y-2-40,德國(guó)Femto公司生產(chǎn)．所用閃爍體為添加了鉈元素的碘化鈉閃爍體(NaI(TI)),尺寸10 mm(直徑)×10 mm(高),長(zhǎng)沙蓋革電子科技有限公司生產(chǎn)．

1.2 原理與方法

所研制的便攜式SiPM模塊內(nèi)部工作原理圖如圖1所示,由SiPM探測(cè)器件、高壓電路、射頻信號(hào)放大電路、光收集接口、金屬屏蔽盒組成,光收集接口是標(biāo)準(zhǔn)視頻C接口,既可以接C接口的鏡頭,進(jìn)行自由空間光探測(cè),也可以通過C轉(zhuǎn)FC接口耦合FC光纖．SiPM探測(cè)器由高壓電路模塊加偏壓,工作電壓高于SiPM的擊穿電壓若干伏,使其工作在蓋革雪崩模式下[5]．SiPM輸出的雪崩脈沖信號(hào)通過串聯(lián)的50 Ω取信號(hào)電阻獲取,該信號(hào)通過低噪聲射頻信號(hào)放大電路進(jìn)行放大,通過50 Ω特征阻抗的同軸電纜由BNC接口輸出信號(hào),方便進(jìn)行后續(xù)的放射事件計(jì)數(shù)或波形分析等操作．在偏壓電路中并聯(lián)的電容和串聯(lián)的電阻構(gòu)成阻容濾波器,用以濾除電子學(xué)噪聲,提高信號(hào)波形的信噪比．通過高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器的集成測(cè)量功能選項(xiàng)可以測(cè)量SiPM模塊輸出的信號(hào)波形的上升下降時(shí)間、波形半高寬、暗計(jì)數(shù)率、最大光子計(jì)數(shù)率．通過自編的Labview程序獲取波形數(shù)據(jù)可以對(duì)SiPM模塊的增益等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析．SiPM模塊的輸出雪崩脈沖的增益可以使用示波器的波形面積測(cè)量功能對(duì)時(shí)間窗口內(nèi)的波形面積進(jìn)行積分來獲得．該雪崩脈沖信號(hào)可以用電流I或電壓V隨時(shí)間t變化的函數(shù)I(t)或V(t)表示．將I(t)或V(t)對(duì)時(shí)間積分后,即可得到電脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出電荷量Q,即

(1)

式中:Rs是負(fù)載(取信號(hào))電阻值；A是電壓波形的積分值,即波形面積值.很顯然,在Rs一定的情況下,Q和波形積分值A(chǔ)成正比,兩者具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系;

將式(1)除以一個(gè)載流子的電量e(即元電荷的電量),就能得到器件的增益G的大小,即

(2)

在用數(shù)字示波器或ADC測(cè)量波形時(shí),實(shí)際獲得的是離散序列值,波形面積值A(chǔ)可以由式(3)獲得[17]:

(3)

式中:V(ti)是在時(shí)間點(diǎn)ti測(cè)量的電脈沖波形信號(hào)的電壓值,Δt是采樣時(shí)間間隔,Ta和Tb分別是采樣時(shí)間的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻．

為了提高增益測(cè)量的置信度,通常對(duì)一系列波形面積值A(chǔ)進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì),從而獲得平均增益．

圖 1 SiPM模塊的內(nèi)部工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of internal working principle of the SiPM module

為了研究利用SiPM模塊進(jìn)行射線探測(cè)的可行性,給模塊裝配了碘化鈉(NaI(TI))閃爍體,用以將輻照到閃爍體的射線轉(zhuǎn)換為SiPM可響應(yīng)的熒光[18]．所用碘化鈉閃爍體為10 mm×10 mm直徑的圓柱體,外用鋁合金工件包裹密封,防止受潮．碘化鈉閃爍體放入鋁制光耦合工件中,通過小透鏡與SiPM模塊光敏面耦合．將裝配了碘化鈉閃爍晶體的SiPM模塊替換一種商品化的便攜式射線探測(cè)儀的蓋革計(jì)數(shù)器探頭．為了達(dá)到射線探測(cè)儀輸入信號(hào)的接收閾值,將SiPM模塊輸出的信號(hào),經(jīng)過一個(gè)外置的高倍射頻放大器進(jìn)一步放大(本實(shí)驗(yàn)所用放大器的放大倍數(shù)為100倍)．經(jīng)過放大后的信號(hào)與探測(cè)儀主機(jī)的信號(hào)輸入端相連,即可對(duì)60Co放射源的放射強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè),并與原配探頭的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較．通過調(diào)節(jié)SiPM模塊和外置射頻放大器的工作偏壓,可以改變SiPM模塊輸出脈沖的幅度,配合射線探測(cè)儀自身的閾值可以優(yōu)化射線探測(cè)儀的信噪比．這是因?yàn)樯渚€在閃爍體中隨機(jī)激發(fā)產(chǎn)生脈沖光,當(dāng)照射到SiPM的脈沖光信號(hào)弱到單光子量級(jí)時(shí),其光子數(shù)分布遵循泊松分布[19]:

(4)

式中：pps(k)表示探測(cè)到k個(gè)光子的概率；s,b表示某種射線激發(fā)的光子到達(dá)SiPM模塊的平均光子數(shù)；η表示SiPM的光子探測(cè)效率；Kd表示暗計(jì)數(shù)．當(dāng)發(fā)生N次射線脈沖事件時(shí), 被SiPM探測(cè)到的預(yù)期事件數(shù)Ns為

(5)

圖 2 SiPM模塊輸出的雪崩信號(hào)的示波器波形截圖Fig.2 The oscilloscope waveform of the avalanche signal output from the SiPM module

式中：Th表示SiPM的等效光子數(shù)探測(cè)閾值．當(dāng)沒有射線信號(hào),由于噪聲而被誤判為有射線信號(hào)的預(yù)期事件數(shù)Nn為

(6)

將式(5)，(6)代入信噪比的定義式,得

(7)

則可以計(jì)算不同閾值下的信噪比．

2 結(jié)果與分析

圖2 為該SiPM模塊輸出雪崩信號(hào)的波形示波器截圖, 其中橫坐標(biāo)每格為40 ns，縱坐標(biāo)每格1 mV.從圖2中可見,脈沖波形有明顯的層次感和倍數(shù)關(guān)系,說明該模塊有良好的光子數(shù)分辨能力．一倍幅度的脈沖的幅度約2 mV,對(duì)應(yīng)著一個(gè)探測(cè)到的光子．通過改變?nèi)肷涔馔?發(fā)現(xiàn)在光強(qiáng)不很強(qiáng)的情況下,信號(hào)脈沖的計(jì)數(shù)頻率隨著入射光通量的增加而增加,說明該模塊具有良好的單光子響應(yīng)能力和光子計(jì)數(shù)能力．表1是測(cè)量得到的該SiPM模塊的主要的光電特性． 從表1和圖2可以看出SiPM模塊輸出的雪崩脈沖型號(hào)的上升時(shí)間和光響應(yīng)脈沖半高寬(FWHM)均在納秒量級(jí),說明SiPM的原始雪崩脈沖經(jīng)過模塊內(nèi)的射頻放大電路放大后沒有明顯失真[20]．其光響應(yīng)度高達(dá)106V/W量級(jí),最高光子計(jì)數(shù)速率可以達(dá)到80 MHz,而暗計(jì)數(shù)率在20 ℃和推薦偏壓下只有100 kHz左右,意味著該SiPM模塊具有較大的隨機(jī)脈沖計(jì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍,適合于隨機(jī)的射線信號(hào)的探測(cè)．

表 1 便攜式硅光電倍增器模塊的光電特性

注：1,2項(xiàng)數(shù)據(jù)來自SiPM分立器件的出廠報(bào)告

圖 3 裝配了閃爍體的SiPM模塊對(duì)60Co放射源放射射線的響應(yīng)信號(hào)Fig.3 The response of the SiPM module assembled with scintillator to the radioactive radiation of the 60Co radioactive source

圖3為裝配了碘化鈉閃爍體的SiPM模塊對(duì)60Co放射源放射的射線的響應(yīng)信號(hào)的示波器截圖,其中橫坐標(biāo)為每格200ns，縱坐標(biāo)為每格5mV．從圖3中可以看出射線響應(yīng)信號(hào)幅度遠(yuǎn)高于左側(cè)的暗脈沖信號(hào),說明SiPM模塊對(duì)60Co放射源發(fā)射的射線響應(yīng)良好．當(dāng)射線探測(cè)儀的相對(duì)閾值小于5倍的光子等效閾值[21]時(shí),射線事件淹沒在SiPM模塊的暗計(jì)數(shù)中,無法分辨,當(dāng)其相對(duì)閾值在5～8倍的光子等效閾值內(nèi)變化時(shí),從主機(jī)儀表盤中讀出的放射強(qiáng)度約為0.07mR/hr,并保持穩(wěn)定,這一方面說明SiPM模塊在該幅度區(qū)間內(nèi)的輸出信號(hào)不是暗計(jì)數(shù),另一方面說明適當(dāng)提高光子等效閾值可以提高信噪比．為了確認(rèn)該放射強(qiáng)度讀數(shù)確實(shí)是由放射源造成的,將放射源移開并放入了一個(gè)鉛屏蔽盒,此時(shí)從主機(jī)儀表盤中讀出的放射強(qiáng)度在0.00～0.01mR/hr間,該讀數(shù)是射線探測(cè)儀的靈敏度極限,因此可以認(rèn)為未檢測(cè)到有效的射線計(jì)數(shù)．為了與射線檢測(cè)儀的原配探頭進(jìn)行比較,在輻射源方位和距離相同的條件下,換回原配探頭進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)．用原配探頭測(cè)得的結(jié)果約為0.09mR/h,兩者基本一致,說明用SiPM模塊測(cè)得的放射強(qiáng)度數(shù)值是可信的．而使用SiPM模塊的測(cè)量值偏小可能是由于閃爍體和SiPM的耦合效率低造成的,倘若使用光敏面積更大的SiPM,應(yīng)該會(huì)提高與閃爍體的耦合效率,從而提高放射強(qiáng)度測(cè)量的準(zhǔn)確度．

3 結(jié)束語(yǔ)

所研制的SiPM模塊性能良好,配合了閃爍體的SiPM模塊可以進(jìn)行射線測(cè)量．裝配了碘化鈉閃爍體的SiPM模塊對(duì)60Co放射源放射的射線響應(yīng)明顯,放射強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果與用原配探測(cè)頭測(cè)得的結(jié)果基本一致,說明將SiPM模塊應(yīng)用于便攜式射線探測(cè)儀是可行的．